資源簡介

第十二章　電能　能量守恒定律
12.1　電路中的能量轉化
目 錄
1
2
4
電功和電功率
焦耳定律
小結和練習
3
電路中的能量轉化
?
問題導入
　　現代生活中隨處都可以見到用電設備和用電器，例如電燈、電視、電熱水壺、電動汽車等。那么你知道這些用電器中的能量是怎樣轉化的嗎？
電功和電功率
01
1
電功
初中我們就知道：
電熱水壺通電時，電能轉化為內能；
電動機通電時，電能轉化為機械能；
蓄電池充電時，電能轉化為化學能；
那么電能轉化為其他形式的能是如何實現的呢？
1
電功
　　電能轉化為其他形式的能，是通過電流做功來實現的。電流做功的實質是，導體中的恒定電場對自由電荷的靜電力在做功。自由電荷在靜電力的作用下做定向移動，結果電荷的電勢能減少，其他形式的能增加。
1
電功
　　如圖所示，電荷從左向右定向移動，它們經過這段電路所用的時間記為 t 。在這一段時間時間內通過這段電路任一截面的電荷量為
q＝It
　　如果這段電路兩端的電勢差為 U ，靜電力做的功就是
W＝qU＝UIt
1
電功
1．定義：導體中的恒定電場對自由電荷的電場力定向移動電荷所做的功，簡稱電功，通常也說成電流做的功；
2．公式：電流在一段電路中所做的功，等于這段電路兩端的電壓 U、電路中的電流 I 、通電時間 t 三者的乘積，即 W＝UIt ；
3．單位：在國際單位制中，電功的單位是“焦耳”，符號“ J ”，常用單位還有千瓦時，俗稱“度”，符號“kW·h”，1 kW·h＝3.6×106 J 。
2
電功率
　　同一個手機選擇不同的充電器，手機充滿電所用的時間不同，也就是說不同的充電器消耗電能轉化為電池的化學能的快慢不同。那么該用什么物理量來描述電流做功的快慢呢？
5V 1A 充電器
20 W PD 充電器
30 W PD 充電器
那么如何計算電功率的大小呢？
2
電功率
　　電流在一段時間內所做的功與通電時間之比叫作電功率，用 P 表示，由公式：P＝????????，可得：P＝UI ；
　　這個公式表明，電流在一段電路中做功的功率 P 等于這段電路兩端的電壓U 與電流 I 的乘積。
?
2
電功率
1．定義：電流在一段電路中所做的功與通電時間之比叫作電功率，它在數值上等于單位時間內電流所做的功；
2．公式：電流在一段電路中做功的功率 P 等于這段電路兩端的電壓 U 與電流 I 的乘積，即 P＝????????＝UI ；
3．單位：國際單位制中電功率的單位是“瓦特”，符號“W”，常用單位還有千瓦（kW）；
4．物理意義：描述電流做功的快慢；
?
該公式適用于任何電路電功率的計算。
2
電功率
額定功率：用電器長期正常工作的最大功率，就是給用電器兩端施加上額定電壓時的功率，一般用電器的銘牌上標注的就是額定功率；
實際功率：用電器實際工作時的電功率。
通常情況下，P實 ≤ P額，只有在額定電壓下工作時， P實＝P額 。
2
電功率
幾種家電的額定功率
{69CF1AB2-1976-4502-BF36-3FF5EA218861}用電器
29 吋彩電
電熨斗
電冰箱
微波爐
臺燈
額定電壓
(V)
220
220
220
220
220
額定功率(W)
100～150
300～800
100～150
800～1200
40～60
焦耳定律
02
1
焦耳定律
　　觀察下面兩種用電器，說說它們有什么區別。
熱得快
電風扇
1
焦耳定律
　　電流通過電熱元件時，導體會全部轉化為導體的內能。電流在這段電路中做的功 W 等于這段電路產生的熱能 Q ，即
Q＝W＝UIt
　　由歐姆定律 U＝IR ，可以得到熱量 Q 的表達式
Q＝I2Rt
即，電流通過導體產生的熱量跟電流的二次方成正比，跟導體電阻及通電時間成正比。這個關系式最初是由焦耳通過實驗直接得到的，物理學中就把它叫作焦耳定律。
焦耳
該公式適用于任何電路產生熱量的計算。
1
焦耳定律
　　由于 W＝Q，所以此時電功率
P＝????????＝????????
就是電流通過導體發熱的功率
P熱＝I2R
?
1
焦耳定律
思考：電功率和熱功率都反映做功的快慢，二者意義是否相同？
P熱＝I2 R
P＝UI
（一切電流做功的功率）
總功率
（專指電流發熱的功率）
熱功率
　　在推導焦耳定律的過程中，用到了“W＝Q”這個條件，那么現實生活中電能是全部轉換成內能嗎？如果電路中還有其他負載，電能又會如何轉化？
電路中的能量轉化
03
1
電路中的能量轉化
思考：當電動機接上電源后，會帶動電風扇轉動，這期間電能會轉化為哪些形式的能？這些能有什么關系？這個過程中又涉及哪些功率，它們有什么關系？
1
電路中的能量轉化
　　電動機接上電源后，電流做功 W＝UIt，電功率為 P＝UI 。電動機運行過程中，會發熱必定有電能轉化為內能。電動機轉動，必然也有電能轉化為機械能。
M
電能 → 內能+機械能
W
W - Q
Q
UIt
I2Rt
＞
U≠IR
　　經過實驗證明，這類電流消耗的電能不全部轉化為內能的電路，歐姆定律對其不適用，這種電路就叫作非純電阻電路。
1
電路中的能量轉化
　　在歐姆定律適用的情況下，電功等于電熱，電流消耗的電能全部轉化為內能，這種歐姆定律適用的電路叫作純電阻電路。
電能 → 內能
Q
I2Rt
W
IUt
＝
R
U＝IR
1
電路中的能量轉化
　　設電動機設電動機消耗的功率為 P電，電動機對外做功，輸出的功率為 P機，另外電動機工作也有能量損失，對應的功率為 P損，它們之間的關系滿足：
P電＝P機＋P損
　　設電動機兩端電壓為 U，通過電動機線圈的電流為 I，可知：
P電＝UI
部分電能轉化成內能。設電動機線圈的電阻為 R，可知：
P熱＝I2R
　　如果，忽略電動機轉動時，因為摩擦力或空氣阻力等影響帶來的能量損失，那么則有：
P熱＝P損
1
電路中的能量轉化
1．輸入功率：電動機的總功率 P電＝UI；
2．輸出功率：電動機對外做功的功率；
3．熱功率：電動機線圈上有電阻，電流通過線圈時要發熱，P熱＝I2R ；
4．功率關系：P電＝P機＋P熱 ；
5．電動機的效率：
1
電路中的能量轉化
例題：
　　一臺電動機，線圈的電阻是 0.4 Ω，當它兩端所加的電壓為 220V 時，通過的電流是 5 A 。這臺電動機發熱的功率和對外做功的功率各是多少？
分析　本題涉及三個不同的功率：電動機消耗的電功率 P電 、電動機發熱的功率 P熱 和對外做功轉化為機械能的功率 P機 。三者之間遵從能量守恒定律，即
P電＝P機＋P熱
1
電路中的能量轉化
解　由焦耳定律可知，發電機發熱的功率為
P熱＝I2R＝52×0.4 W＝10 W
電動機消耗的電功率為
P電＝UI ＝220×5 W＝1100 W
根據能量守恒定律，電動機對外做功的功率為
P機＝P電－P熱＝1100 W－10 W＝1090 W
這臺電動機發熱的功率為 10 W，對外做功的功率為 1090 W 。
小結和練習
04
1
小結
1．電功：W＝qU＝UIt ；
2．電功率：P＝????????＝UI ；
3．電熱：Q＝I2Rt ；
4．熱功率：P熱＝I2R ；
5．電路中的能量轉化：
（1）純電阻電路：W＝Q；
（2）非純電阻電路：W > Q 。
?
1
小結
純電阻電路與非純電阻電路的對比
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}
純電阻電路
非純電阻電路
電路特點
電路中只有電阻元件，只能把電能轉化為內能
電路中包括能把電能轉化為除內能外的其他形式的能的用電器。
是否遵循歐姆定律
遵循歐姆定律 I＝????????
不遵循歐姆定律 U > IR
能量轉化
電流做功，電能全部轉化為內能
電流做功電能除轉化為內能外，還轉化成其他形式的能
元件舉例
電阻、電爐絲、白熾燈等
電動機、電解槽等
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}
純電阻電路
非純電阻電路
電路特點
電路中只有電阻元件，只能把電能轉化為內能
電路中包括能把電能轉化為除內能外的其他形式的能的用電器。
是否遵循歐姆定律
不遵循歐姆定律 U > IR
能量轉化
電流做功，電能全部轉化為內能
電流做功電能除轉化為內能外，還轉化成其他形式的能
元件舉例
電阻、電爐絲、白熾燈等
電動機、電解槽等
1
小結
純電阻電路與非純電阻電路計算公式的對比
1．電飯鍋工作時有兩種狀態：一種是鍋內的水燒干以前的加熱狀態，另一種是水燒干以后的保溫狀態。下圖是電飯鍋的電路圖，R1 是電阻，R2 是加熱用的電阻絲。
（1）自動開關 S 接通和斷開時，電飯鍋分別處于哪種狀態？說明理由。
（2）要使電飯鍋在保溫狀態下的功率是加熱狀態的一半，R1 : R2 應該是多少？
2
練習
S
220 V
R1
R2
1．解：（1）接通開關 S 時，R1 被短路，R2 直接接在電源兩端，電路消耗的電功率為 P1＝????2????2。當開關 S 斷開時，R1、R2 串聯后接到電源上，電路消耗的電功率為 P2＝????2????1＋????2 。因為 P1 > P2 ，所以開關 S 接通時，電飯鍋處于加熱狀態；開關 S 斷開時，電飯鍋處于保溫狀態。
（2）加熱時，PR2＝????2????2 ；保溫時，P′R2＝( ????????1＋????2 )2R2 。要使 P′R2＝12PR2 ，必有 ????1????2＝2－11 。
?
2
練習
2．如圖所示，輸電線路兩端的電壓 U 為 220 V，每條輸電線的電阻 R 為 5 Ω，電熱水器 A 的電阻 RA 為 30 Ω 。求電熱水器 A 上的電壓和它消耗的功率。如果再并聯一個電阻 RB 為 40 Ω 的電熱水壺 B ，則電熱水器和電熱水壺的功率各是多少？
2
練習
S
U
RA
RB
R
R
2．解：在用電器只有電熱水器 A 時，I＝????????A＋2????＝22030＋10 A＝5.5 A 。電熱水器 A 上的電壓 UA＝IRA＝5.5×30 V＝165 V，它消耗的功率 PA＝I2RA＝5.52×30W＝907.5 W；
再并聯上電熱水壺 B 時，總電流 I′＝????????A????B????A＋????B＋2????＝8.1 A 。通過電熱水器 A 的電流 IA＝????B????A＋????BI′ ＝47×8.1 A＝4.6 A ，通過電熱水壺 B 的電流 IB＝????A????A＋????BI′ ＝37×8.1 A＝3.5 A ，電熱水器 A 消耗的功率 PA＝IA2RA＝4.62×30 W＝634.8 W 。電熱水壺 B 消耗的功率 PB＝IB2RB＝3.52×30 W＝490.0 W 。
?
2
練習
3．某款掃地機器人工作時的額定電壓為15 V，額定功率為 30 W，充電額定電壓為24 V，額定電流為 0.5 A，電池容量為 2 000 mA·h。則下列說法錯誤的是（　?。?
A．機器人充滿電大約需要 4 h
B．電池容量是指電池儲存電能的大小
C．機器人正常工作時的電流為 2 A
D．機器人充滿電后能夠連續正常工作的時間約為 1 h
2
練習
B
4．兩根由同種材料制成的均勻電阻絲 A、B 串聯在電路中，A 的長度為 L，直徑為d；B 的長度為 2L，直徑為 2d，那么通電后在相同的時間內產生的熱量之比為
（　　）
A．QA : QB＝1 : 2
B．QA : QB＝2 : 1
C．QA : QB＝1 : 1
D．QA : QB＝4 : 1
2
練習
B
5．如圖所示是利用電動機提升重物的示意圖，其中 D 是直流電動機，P 是一個質量為 m 的重物，用細繩將重物拴在電動機的軸上，閉合開關 S，重物 P 以速度 v 勻速上升，這時理想電流表和理想電壓表的示數分別是 I＝5.0 A 和 U＝110 V，重物 P 上升的速度 v＝0.70 m/s。已知該裝置機械部分的機械效率為 70%，重物的質量 m＝45 kg，重力加速度 g 取10 m/s2，下列說法正確的是（　?。?
A．電動機消耗的電功率為 550 W
B．細繩對重物做功的機械功率為 325 W
C．電動機的輸出功率為 400 W
D．電動機線圈的電阻為 5 Ω
2
練習
A

展開更多......

收起↑